CN110793450B - 一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学精确测量技术领域，特别涉及一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置及测量方法领域。一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置，包括：激光器，数据采集处理系统，光纤环形器，光纤探针，激光器与光纤环形器的输入端口相连，光纤探针与光纤环形器的输出端口相连，数据采集处理系统与光纤环形器的反射输出端口相连。本发明利用基于光纤光镊的反射式双光束干涉，可以实现实时在线检测微纳粒子粒径的变化；采用光纤光镊，使得粒子检测操作更加灵活自由，成本低廉，便于集成化和小型化；采用干涉光强度作为粒子粒径检测标准，可以精确检测小于波长范围的粒子粒径变化，精度可以达到纳米级别。
Description
技术领域
本发明涉及光学精确测量技术领域，特别涉及一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置及测量方法领域。
背景技术
随着微纳技术的发展，微粒粒径的高精度纳米尺度范围测量具有重要的研究意义。现阶段对微粒的纳米尺度测量标定主要利用扫描和快速移动粒子的测量仪，电气低压冲击器，冷凝粒子计数器与纳米粒子表面积监测仪等仪器(J Nanopart Res 2012,14,718)。大多数微粒纳米尺度的测量仪器，针对单个微粒测径研究存在较大难点，然而对于单个粒子的研究有助于探索粒子各种微纳尺度特性。对于单个微纳粒子粒径测量，最普遍有效的方法是利用电子显微镜和原子力显微镜，这两种类型的显微镜成本高昂，使用时需制作样本，无法在线对微纳粒子进行操作。随着光纤技术的发展，贾志军等公布了光纤测量粒子直径的方法和设备，专利申请号：CN90102821.5，把通过光纤探头内的若干根光纤传输信号直接发射到被测粒子上，再由经过光纤探头上设置的光纤接受装置内的光纤把信号传送到光电转换元件，利用计算机采集计算粒子直径分布，该发明可精确测量粒子粒径大于20μm的粒子粒径，无法达到纳米尺度范围的测量。
根据粒子的反射光强度可以标定、监测粒子在某一位置的操纵，Hongbao Xin等将光纤加工成特殊形状的探针以捕获单一上转换纳米粒子颗粒细菌并进行标记(Small2017,13,1603418)，该文章对细菌进行标记和分析，无法根据光的强度精确测量粒子的尺寸；Yuchao Li等提出的通过在光纤探针上组装微透镜产生平行光子纳米喷射阵列捕获器可接触并检测纳米颗粒和细胞(ACS Nano 2016,10,5800-5808)，同样仅利用反射光的光强标定粒子的捕获，无法分辨捕获粒子粒径大小。这些基于光纤的微纳粒子的捕获技术给精确测量微纳粒子粒径提供技术依据。
根据光的干涉原理，干涉光强随着光程差的变化成余弦函数改变。因此存在许多分立的区域在光程差变化的范围内干涉光强具有一定的单调性，可以利用光强大小实现测量精度达到波长级别的微纳粒子尺寸波动范围。综合以上技术，利用基于光纤的光纤光镊作为光纤探针，光纤探针的光纤反射光与微纳粒子的反射光形成双光束干涉产生干涉信号，利用干涉光信号强度计算一定范围微纳粒子粒径变化，实现一种基于新型光纤光镊高精度粒径测量装置及测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置及测量方法，利用光纤光镊背向反射干涉光强的强度标定测量微纳粒子一定范围内的粒径变化。
本发明是这样实现的：
一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置，包括：激光器1，数据采集处理系统2，光纤环形器3，光纤探针4，其特征是：所述激光器1与所述光纤环形器的输入端口3-1相连，所述光纤探针4与所述光纤环形器3的输出端口3-2相连实现光纤光镊和粒径测量两种功能，光纤探针4是光纤光镊，为单模光纤叠加透镜或单模光纤腐蚀或熔融拉锥构成的光纤光镊或基于多芯光纤的特种光纤光镊或基于光纤倏逝场原理的纳米光镊或基于干涉原理的纳米阵列光纤光镊中的一种，利用光纤探针4捕获被测粒子，光纤探针的反射光与被测粒子的反射光形成双光束干涉，干涉光信号通过环形器端口3-2传输到环形器端口3-3数据采集系统进行处理，利用干涉信号强度计算一定范围内粒子粒径的变化，实现粒径测量。
一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置的测量方法，采用如权利要求1所述的基于光纤光镊的高精度粒径测量装置，其特征是：
(1)激光器发出的激光通过环形器传输到捕获粒子和测量粒径的光纤探针；
(2)光纤探针是光纤光镊，可以是单模光纤叠加透镜或单模光纤腐蚀或熔融拉锥制作的光纤光镊或基于多芯光纤制作的特种光纤光镊或基于光纤倏逝场原理获得的纳米光镊或基于干涉原理制成的纳米阵列光纤光镊中的一种；
(3)光纤探针端面的反射光与捕获的待测粒子的反射光发生双光束干涉，干涉光信号通过环形器传输到数据采集系统；
(4)干涉光信号强度随光程差的变化而变化，因此可以利用干涉光信号强度计算测量标定标准粒子一定范围内的粒径变化。
光纤探针端面的反射光与捕获的待测粒子的反射光发生干涉，检测到的光强信号I'可表示为
其中，I′1为光纤探针端面的反射光强度，I′2为待测粒子的反射光强度，δ为光束I′1与光束I′2发生光束干涉的光程差，δ＝2d，d为粒子捕获位置距离光纤探针的距离，λ为激光器在真空中的波长，n为背景折射率，π为粒子表面光反射时光束发生的半波损失所带来的相位差。
粒子的粒径可分辨测量粒径变化范围Δr为0<Δr<λ/2n。
本发明的有益效果是：本发明利用基于光纤光镊的反射式双光束干涉，可以实现实时在线检测微纳粒子粒径的变化；本发明采用光纤光镊，使得粒子检测操作更加灵活自由，成本低廉，便于集成化和小型化；本发明采用干涉光强度作为粒子粒径检测标准，可以精确检测小于波长范围的粒子粒径变化，精度可以达到纳米级别。
附图说明
图1a为基于单模光纤粘球的光纤光镊高精度粒径测量装置示意图；
图1b为基于单模光纤粘球的光纤光镊高精度粒径测量装置局部放大图；
图2为检测不同粒径粒子其光纤探针与粒子间距离示意图；
图3为干涉信号强度随光纤端面反射光与待测粒子反射光之间的光程差δ改变的示意图；
图4为标准粒子反射干涉光信号强度示意图；
图5为待测粒子反射干涉光强与标准粒子反射干涉光强对比示意图；
图6为轴对称三芯光纤及纤芯编号示意图；
图7为微加工的三芯光纤对称劈尖及全反射汇聚光束示意图；
图8为基于三芯光纤的光纤光镊高精度粒径测量装置示意图。
具体实施方式
附图标记说明：1激光器，2数据采集处理系统，3光纤环形器，3-1光纤环形器输入端口，3-2光纤环形器输出端口，3-3光纤环形器反射输出端口，4光纤探针，4-1光纤探针光路通道，4-2光纤探针针头，5待测粒子，6光纤耦合器，7三芯光纤耦合器，8三芯光纤光镊。
结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明属于光学精确测量技术领域，特别涉及一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置及测量方法。
本发明的目的在于提供一种基于光纤光镊的高精度粒径检测装置，本发明的目的还在于提供一种基于光纤光镊的高精度粒径测量方法。本发明利用光纤光镊背向反射干涉光强的强度标定测量微纳粒子一定范围内的粒径变化。
本发明的目的是这样实现的：
基于光纤光镊的高精度粒径测量装置，包括激光器、数据采集处理系统、光纤环形器、光纤探针。激光器连接光纤环形器输入端口，光纤探针连接光纤环形器输出端口，数据采集系统连接光纤环形器反射输出端口。激光器注入光纤环形器输入端口的激光，由光纤环形器输出端口输出到光纤探针，光纤探针用于捕获待测粒子及传输干涉光，其端面的反射光与捕获的待测粒子的反射光发生干涉，干涉光信号通过环形器传输到连接的数据采集系统，由于干涉光信号强度随光程差的变化而变化，因此可以利用干涉光信号强度计算测量标定标准粒子一定范围内的粒径变化。
所述的光纤探针为用于捕获待测粒子的光纤光镊且能够传输用于获得干涉的激光信号、接收并传输光纤端反射光与粒子表面反射光的干涉光信号，其可以是单模光纤叠加透镜的光纤光镊，单模光纤腐蚀或熔融拉锥构成的光纤光镊，基于多芯光纤的特种光纤光镊，基于光纤倏逝场原理的纳米光镊和基于干涉原理的纳米阵列光纤光镊。
所述的测量标准粒子粒径变化的一定范围Δr为
λ为所用激光光源的波长，n为环境折射率。
基于光纤光镊的高精度粒径测量方法，激光器发出的激光通过环形器传输到捕获粒子的光纤探针，光纤探针端面的反射光与捕获的待测粒子的反射光发生干涉，干涉光信号通过环形器传输到数据采集系统，由于干涉光信号强度随光程差的变化而变化，因此可以利用干涉光信号强度计算测量标定标准粒子一定范围内的粒径变化。
光纤探针捕获微纳粒子时，光纤探针的光纤反射光与微纳粒子的反射光发生双光束干涉，干涉光信号强度由光纤探针的反射光与纳米粒的反射光之间的光程差决定。具体到本发明中已确定捕获位置的光纤光镊作用下，微纳粒子反射光与光纤探针的反射光光程差由不同粒径的粒子直径决定，因此可用干涉光信号强度计算微纳粒子粒径的变化，其具体解释如下。
当光纤探针捕获粒子时，光纤探针的光纤端面反射光强度如图1中6-1为I′1，被捕获粒子的球面反射光光束6-2为I′2，I′1与I′2发生双光束干涉，检测到的光强信号I′可表示为
φ为双光束相位差，此时，φ也可以表示为
δ为光束I′1与光束I′2发生光束干涉的光程差，δ＝2d，d为粒子捕获位置距离光纤探针的距离，λ为激光器在真空中的波长，n为背景折射率，π为粒子表面光反射时光束发生的半波损失所带来的相位差。
由此可得测量微纳粒子时，反射干涉光强为
由于光纤探针捕获粒子的中心位置不变，当小球直径不同时，光纤端面反射光与微纳粒子反射光之间的光程差δ发生改变，由式(3)可知，在某个余弦函数的上升沿或下降沿光强是随光程差δ单调的改变，不同的光程差δ对应于不同的信号强度，即不同的粒子的粒径可分辨测量粒径变化范围为
在图2中所示，因为同一汇聚光场不同直径的粒子捕获在同一位置，而两个不同粒径的粒子因为其直径大小不同，光纤探针端面反射光与微纳粒子之间的光程差分别为δ1＝2d1n与δ2＝2d2n。
干涉信号强度随光纤端面反射光与捕获粒子的反射光之间的光程差δ改变，如图3所示，干涉信号强度随着光程差δ的改变呈周期性变化。根据图3中干涉信号强度随光程差δ的周期性变化，可通过干涉信号强度获得粒子粒径大小的改变，其可分辨待测粒子的半径变化范围Δr为
本发明进一步描述如下。
本发明通过光纤探针反射光与待测粒子反射光的干涉信号强度计算测量标定标准粒子一定范围内的粒径变化。其实现过程如图1所示，包括激光器1、数据采集处理系统2、光纤环形器3、光纤探针4，激光器1连接光纤环形器3输入端口3-1，光纤探针4连接光纤环形器3输出端口3-2，数据采集系统2连接光纤环形器3反射输出端口3-3，激光器1注入光纤环形器端口3-1的激光，由光纤环形器3端口3-2输出到光纤探针4，光纤探针4用于捕获待测粒子及传输干涉光，其端面的反射光与捕获的待测粒子的反射光发生干涉，干涉光信号通过环形器端口3-2传输到环形器端口3-3连接的数据采集系统2，如图3所示，干涉光信号强度随光程差的变化而变化，利用干涉光信号强度计算测量标定标准粒子一定范围内的粒径变化。
根据以上原理和结构，本发明可以通过以下方式得以实现：
实施例一，基于单模光纤强汇聚光镊结构的粒径测量装置：
1、截取长约1m的980nm单模光纤，将单模光纤两端处理，利用光纤切割刀切割平整，使用微位移操作平台，控制沾有紫外胶的光纤一端与二氧化硅球轴对称粘连，依据光场透镜汇聚技术汇聚单模光纤输出的光束以形成光纤光镊探针。
2、980nm波长的激光光源，与同波段的光纤环形器输入口焊接耦合，环形器输出端与步骤1中制作的光纤光镊探针的未粘二氧化硅球的一端焊接耦合，环形器的返回输出端口与光电探测器数据采集系统连接，完成如图1所示的光纤光路的连接。
3、将光纤光镊探针放入含有已标定过的标准粒子5μm直径聚苯乙烯的去离子水中，打开980nm激光器，操纵光纤光镊探针捕获聚苯乙烯球，光纤光镊探针的光纤端面的反射光与聚苯乙烯球的反射光返回到光纤中，通过环形器传输到光电探测器数据采集系统，显示光强大小。如图4所示已标定的5μm聚苯乙烯标准粒子反射干涉光信号强度，纵坐标表示反射的干涉光信号强度，横坐标表示信号采集的时间，以此为标准计算待测的未精确标定过的5μm聚苯乙烯球粒径。
4、将步骤3的同一个光纤光镊探针放入含有未精确标定过的5μm直径聚苯乙烯球的去离子水中，使用步骤3同样的方式方法对聚苯乙烯粒子捕获和观测对比反射干涉光信号强度，其干涉光强大小如图5所示，分别表示了待测粒子0的反射干涉光强I0、待测粒子1的反射干涉光强I1、待测粒子2的反射干涉光强I2、待测粒子3的反射干涉光强I3、待测粒子4的反射干涉光强I4，通过与图4所示的标准粒子的反射干涉光强大小对比，最终计算出待测粒子的粒径大小，以达到标定5μm直径聚苯乙烯的粒径变化范围。
实施例二：基于三芯光纤的光纤光镊高精度粒径测量装置，步骤如下：
1、截取长度约1m的如图6所示的轴对称三芯光纤，利用光纤端面微加工的方法将三芯光纤磨制成如图7所示的对称劈尖形光纤光镊，以全反射的形式实现光纤光束汇聚到中间光纤芯光束传输的光轴上。
2、连接如图8所示的光路。980nm激光器1发出的光经分光比1:0.1:1的1×3光纤耦合器6经环形器3与三芯光纤耦合器7相连，1×3光纤耦合器大分光比的输出光纤与如图8中三芯光纤耦合器的编号①和③的输入光纤连接，最终输入到如图6的三芯光纤纤芯编号①和③中，以实现三芯光纤光镊8大功率激光捕获粒子的效果；1×3光纤耦合器小分光比的输出光纤端与三芯光纤耦合器的编号②的输入光纤连接，最终传输到如图6的三芯光纤纤芯编号②的中间纤芯中，纤芯的反射光和捕获粒子的反射光在中间纤芯②中传输经环形器到光电探测器数据采集系统2。三芯光纤耦合器的输出光纤与步骤1所用光纤型号一致，将其与步骤1中所制作的三芯光纤探针的未加工端利用保偏熔接机三芯正对熔接；光纤环形器输出光纤端与三芯耦合器的②号光纤熔接；光纤环形器的返回输出光纤端与光电探测器连接，完成如图8所示光纤光路的连接。
3、使用步骤1制作的光纤光镊探针按照实施例一步骤3的方式放入含有已标定过的标准粒子5μm直径聚苯乙烯的去离子水中，打开980nm激光器，操纵光纤光镊探针利用外侧双芯的汇聚光捕获聚苯乙烯球，光纤光镊探针的光纤端面的反射光与聚苯乙烯球的反射光返回到三芯光纤的中间芯，通过三芯光纤耦合器和光纤环形器传输到光电探测器数据采集系统，显示光强大小。标定5μm聚苯乙烯标准粒子反射干涉光信号强度。
4、按照实施例一步骤4的相同方式，获取未精确标定过的5μm直径聚苯乙烯的反射干涉光信号强度，通过与标准粒子的光强大小对比，最终计算出待测粒子的大小，以标定5μm直径聚苯乙烯的粒径变化范围。
综上所述，本发明涉及一种新型基于光纤光镊的高精度粒径测量装置及测量方法。基于光纤光镊的高精度粒径测量装置，其包括激光器1、数据采集处理系统2、光纤环形器3、光纤探针4，激光器连接光纤环形器输入端口3-1，光纤探针连接光纤环形器输出端口3-2，数据采集系统连接光纤环形器反射输出端口3-3。激光器注入光纤环形器端口3-1的光，由光纤环形器端口3-2输出到光纤探针，光纤探针用于捕获待测粒子，光纤探针端面的反射光与捕获粒子的反射光发生干涉，干涉光信号通过环形器端口3-2传输到环形器端口3-3数据采集处理系统2进行处理，由于干涉光信号强度随光程差的变化而变化，利用干涉光信号强度能够计算一定范围内的捕获粒子粒径变化。利用光纤光镊背向反射干涉信号的强度测量标定捕获粒子粒径是一种新的微粒子直径测量方法，通过反射式单光纤结构可灵活自由的实时在线高精度测量标定标准粒子粒径的变化范围，且该结构简单易于实现集成化，成本低廉，测量精度高。
Claims (4)
1.一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置，包括：激光器1，数据采集处理系统2，光纤环形器3，光纤探针4，其特征是：所述激光器1与所述光纤环形器的输入端口3-1相连，所述光纤探针4与所述光纤环形器3的输出端口3-2相连实现光纤光镊和粒径测量两种功能，光纤探针4是光纤光镊，为单模光纤叠加透镜或单模光纤腐蚀或熔融拉锥构成的光纤光镊或基于多芯光纤的特种光纤光镊或基于光纤倏逝场原理的纳米光镊或基于干涉原理的纳米阵列光纤光镊中的一种，利用光纤探针4捕获被测粒子，光纤探针的反射光与被测粒子的反射光形成双光束干涉，干涉光信号通过环形器端口3-2传输到环形器端口3-3数据采集系统进行处理，利用干涉信号强度计算一定范围内粒子粒径的变化，实现粒径测量。
2.一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置的测量方法，采用如权利要求1所述的基于光纤光镊的高精度粒径测量装置，其特征是：
(1)激光器发出的激光通过环形器传输到捕获粒子和测量粒径的光纤探针；
(2)光纤探针是光纤光镊，可以是单模光纤叠加透镜或单模光纤腐蚀或熔融拉锥制作的光纤光镊或基于多芯光纤制作的特种光纤光镊或基于光纤倏逝场原理获得的纳米光镊或基于干涉原理制成的纳米阵列光纤光镊中的一种；
(3)光纤探针端面的反射光与捕获的待测粒子的反射光发生双光束干涉，干涉光信号通过环形器传输到数据采集系统；
(4)干涉光信号强度随光程差的变化而变化，因此可以利用干涉光信号强度计算测量标定标准粒子一定范围内的粒径变化。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置的测量方法，其特征是：光纤探针端面的反射光与捕获的待测粒子的反射光发生干涉，检测到的光强信号I'可表示为
其中，I'1为光纤探针端面的反射光强度，I'2为待测粒子的反射光强度，δ为光束I'1与光束I'2发生光束干涉的光程差，δ＝2d，d为粒子捕获位置距离光纤探针的距离，λ为激光器在真空中的波长，n为背景折射率，π为粒子表面光反射时光束发生的半波损失所带来的相位差。
4.根据权利要求2所述的一种基于光纤光镊的高精度粒径测量装置的测量方法，其特征是：粒子的粒径可分辨测量粒径变化范围Δr为0<Δr<λ/2n。
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